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基于DIC的受载砂土颗粒体系的细观参数及运动分析
摘要
本研究基于数字图像相关方法(DigitalImageCorrelation,DIC)，对砂土颗粒体系进行了细观参数及运动分析。首先，建立了适用于颗粒体系的DIC测量方法，通过对细观显微结构进行分析，获取了颗粒间的接触点特征及颗粒间连接形态等参数。然后，采用离散元法对砂土样本的载荷-位移曲线进行了拟合，获取其力学性质参数。最后，通过对不同载荷下颗粒体系的运动轨迹进行分析，得到了颗粒间的滑动与转动方式以及颗粒与流体之间的相互作用情况，为深入理解颗粒体系的力学行为提供了有力支持。
关键词：数字图像相关(DIC)；颗粒体系；离散元法；力学性质；运动分析
Abstract
ThisstudyfocusesonthemicroscopicparametersandmotionanalysisofaloadedsandparticlesystembasedontheDigitalImageCorrelation(DIC)method.Firstly,aDICmeasurementmethodsuitableforparticlesystemsisestablished.Throughtheanalysisofthemicroscopicstructure,parameterssuchascontactpointsandconnectionmorphologybetweenparticlesareobtained.Then,themechanicalpropertiesofthesandsampleareobtainedbyfittingtheload-displacementcurveusingtheDiscreteElementMethod(DEM).Finally,byanalyzingthemotiontrajectoryoftheparticlesystemunderdifferentloads,theslidingandrotatingmodesbetweenparticlesandtheinteractionbetweenparticlesandfluidsareobtained,whichprovidesastrongsupportforadeepunderstandingofthemechanicalbehaviorofparticlesystems.
Keywords:DigitalImageCorrelation(DIC);ParticleSystem;DiscreteElementMethod(DEM);MechanicalProperties;MotionAnalysis.
1.介绍
砂土是建筑工程中常见的地基材料，其力学性质研究对于保障工程质量具有重要作用。传统试验方法往往难以获取砂土颗粒体系内的微观信息，而基于数字图像相关方法(DigitalImageCorrelation,DIC)的实验方法能够提供颗粒体系内颗粒间的接触信息。同时，离散元法(DiscreteElementMethod,DEM)作为颗粒体系中常用的数值计算方法，可利用颗粒间相互作用力进行研究。因此，本文结合DIC与DEM方法，对砂土颗粒体系的细观参数及运动轨迹进行了研究。
2.方法
2.1DIC测量方法
DIC方法是利用基于图像特征的位移测量技术，能够对颗粒体系内颗粒间的接触情况进行测量。本文采用了一个自主开发的DIC测量平台，通过图像处理可以得到砂土样本表面的位移信息，从而计算出颗粒间接触点位置，进而得到颗粒体系内颗粒的连接形态等参数。
2.2DEM数值计算方法
DEM方法是基于颗粒间相互作用力的数值计算方法，在研究颗粒体系内颗粒间力学行为方面有广泛应用。本文采用PFC2D软件进行数值计算，根据测量所得参数和砂土物理性质建立DEM模型，模拟不同载荷下颗粒体系的力学行为，并拟合其载荷-位移曲线，得到砂土样本的力学性质参数。
2.3运动轨迹分析方法
运动轨迹分析方法是通过对颗粒体系内所有颗粒的位移矢量进行分析，进而得到颗粒间的相互作用方式和颗粒与流体之间的相互作用方式。本文基于DIC所得到的数据，利用MATLAB分析颗粒体系内的运动轨迹，研究颗粒的滑动与转动方式，以及颗粒与流体之间的相互作用情况。
3.结果
通过DIC测量平台的测量，我们得到了砂土样本内颗粒间的接触点特征和颗粒的连接形态等参数。同时，在DEM模拟下，我们得到了载荷-位移曲线，并拟合出了砂土样本的塑性模量和剪切强度等力学性质参数。最后，我们对不同载荷下颗粒体系的运动轨迹进行了分析，得到了颗粒间的滑动与转动方式及其与流体之间的相互作用情况。通过研究运动轨迹，我们发现颗粒体系中颗粒的运动方式主要由滑动和转动两种方式组成，在某些特定载